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一种新设备可以在佩戴者睡觉的时候从指尖获取能量

2021-08-01 12:24 · 稿源:cnbeta

据外媒报道,夏天的热浪让你感到汗流浃背?别担心,不是所有的汗水都白费了。在7月13日发表在《Joule》上的一篇论文中,研究人员开发了一种新设备,它可以从你指尖各处的汗液中收集能量。

截止到目前,该设备是迄今发明的最有效的身体能量收割机,其可以在10小时的睡眠中、在没有任何机械能输入的情况下,每平方厘米能产生300毫焦耳(mJ)的能量,单按一个手指就能产生额外的30毫焦耳的能量。研究人员表示,该设备代表着自可持续可穿戴电子产品向前迈出的重要一步。

“通常情况下,你希望能源投资获得最大回报。你不会想通过运动消耗大量的能量,而只得到一点点能量,”加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授、论文资深作者Joseph Wang说道,“但在这里,我们想要创造一种适应日常活动的设备,几乎不需要任何能量投入--你可以完全忘记设备的存在去睡觉或做像打字这样的办公桌工作,但仍能继续产生能量。你可以把它叫做‘无所事事的力量’。”

以前使用汗液发电的设备需要剧烈运动如大量跑步或骑车,然后才能排出足够的汗来发电。但在运动过程中消耗的大量能量很容易抵消掉产生的能量,通常会导致投资的能量回报不到1%。

相比之下,这种装置属于研究人员所称的能量采集器的“圣杯”类别。它不需要依赖阳光或运动等不规则的外部来源,而只需要手指接触就可以在睡眠期间收集超300mJ的能量--研究人员称,这足以为一些小型可穿戴电子设备供电。因为不需要运动,所以收集的能量和投入的能量之间的比例本质上是无限的。

选择指尖而非腋下作为汗腺的来源似乎有些奇怪,但事实上,跟身体其他部位相比,指尖的汗腺密度最高。

“在手指处产生更多的汗水可能是为了帮助我们更好地抓东西,”论文的第一个合著者Lu Yin 指出,“手指上的出汗率可以高达每分钟每平方厘米几微升。跟身体其他部位相比,这是非常重要的,那里的出汗率可能要小两到三个数量级。”

研究人员在这项研究中开发的设备是一种名为生物燃料电池(BFC)的能量收集器,由乳酸盐(汗液中的一种溶解化合物)提供动力。从外部看,它就像一块简单的泡沫,连接着一个带有电极的电路,所有电极都连接在手指垫上。泡沫由碳纳米管材料制成,该设备还包含一种水凝胶,这有助于最大限度地吸收汗水。

“该设备的大小约为1平方厘米。它的材料也非常灵活,所以你不必担心它太硬或感觉奇怪。你可以舒适地穿戴很长一段时间。”Yin说道。

在该装置内会发生一系列的电化学反应。这种电池在阳极上配备了一种生物酶,它可以氧化乳酸或从乳酸中去除电子;在阴极上沉积少量铂,以催化还原反应,利用电子将氧转化为水。一旦发生这种情况,电子就会从乳酸流过电路进而产生电流。这个过程是自发的:只要有乳酸,就不需要额外的能量来启动这个过程。

跟BFC分离但互补的是,将机械能转换为电能的压电发电机也连接在该设备上,这可以额外获取高达20%的能量。依靠手指的自然捏动或打字等日常动作,这些发电机几乎无需任何工作就能产生额外的能量:每小时一次手指按压只需要0.5mJ的能量,但产生的能量超过30兆焦耳,投资回报率为600%。

研究人员能使用该设备为有效的维生素C和钠感知系统提供动力,另外通过该设备的改进使其在未来拥有更强大的能力持乐观态度,这可能使它适合于健康和健康应用。“我们想让这种设备跟手套等可穿戴设备更紧密地结合在一起。我们也在探索使无线连接到移动设备以实现扩展连续传感的可能性,”Yin说道。

“有很多令人兴奋的潜力,”Wang称,“我们有十个手指可以用。”

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